作者：胡凯浩，浙江海洋大学信息工程学院，浙江 舟山 316022
摘要 : 传感器技术应用于海洋环境监测可以实现对海洋各类水质指标和监测设备高效节能等方面实现实时操控，有效促进构建传感器技术等新型技术与海洋环境监测产业一体化发展。传感器技术在海洋环境监测中的应用时间较短，存在着技术应用不全面和不成熟、缺乏相应的应用标准和复合型人才缺少等问题，需要加大相关技术的研发与应用力度，以此更为快速有效地实现现代海洋智慧化发展。
关键词 : 传感器技术；海洋环境监测；智能化；智慧海洋；发展
海洋环境监测技术的进步有赖于计算机技术、通信技术、电子技术、传感器技术和材料科学技术等的支持 [1-2]。海洋环境监测传感器同时具有一般传感器与海洋传感器的技术特性，它的技术难度更高、制造工艺更为复杂。因此，海洋环境监测传感器的研究和发展迫在眉睫。传感器技术在海洋环境监测中的应用研究具有比较大的意义。1.1 传感器技术概述
传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量。当今世界正在处于以信息技术为基础的技术革命当中，并且传感器技术已经被公认为是信息技术的三大支柱之一。结合国内各位专家、学者对传感器技术的研究，其发展趋势可以从以下 4 个方面进行概括：一是开发新材料、新工艺和新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度和集成智能化；三是实现传感器技术硬件系统与元器件的逐步微型化；四是传感器技术与多学科交叉融合实现学科快速发展。另外，将传感器技术应用到现代海洋环境监测的发展过程中，可实现海洋环境监测的智能化管控，促进现代海洋环境保护可持续发展。1.2 海洋环境监测概述
在国外研究进展方面，自 1970 年以来，美国、加拿大、欧洲等都纷纷开始对海洋环境的监测进行深入的研究。经过多年的研究与发展，目前监测海洋要素主要以海洋的水文气象参数、水质环境状态参数和物理化学参数为主。世界上部分的海洋强国对于海洋方面的研究已经处于世界的领先水平。在国内研究进展方面，我国在海洋环境监测方面的应用研究相比国外而言起步较晚，同时国内的海洋环境监测技术水平等都落后于国外的先进海洋国家。近些年来，我国在海洋环境监测方面的应用研究与评价体系的工作取得了较大的进展和快速的发展，海洋环境监测的内容得到了更为丰富的拓展，监测的手段也更为智能化。未来即将进入万物互联、万物智联时代，芯片和 5G（6G）技术都是十分重要的科技，但这些重要的技术，都离不开传感器，它即使是一件“不起眼”的设备，却是未来十大科技之首。2.1 在海洋环境监测各类指标参数中的应用
利用新型信息技术的特定方法来对海洋中的环境各类指标实现实时动态监测和分析，是实现海洋环境保护各类对策制定的重要支撑依据。一是利用传感器技术和无线传感器网络技术实现对海洋环境的水质状态的监测。该领域的研究主要是利用传感器技术对海洋环境的 pH 值、溶解氧、盐度、水温和混浊度等进行实时监测。通过对上述各类海洋环境水质状态的获取、处理、加工和分析，最终制定海洋环境监测智能化方案，为海洋环境保护提供数据分析的支持。二是利用传感器、LoRa 无线通信和 Web 等技术实现近海岸水质监测平台“采传存管展”的实际应用。该系统的设计与实现一般由数据采集层、数据通信存储层和数据展示控制层等组成。而数据采集层中的数据获取就需要使用传感器技术来实现。并且数据采集层的硬件设备（各类不同用途的传感器）是保证海岸水质监测数据质量的基础，是整个平台正常运行的重要基础，通过实时传感器的数据监测最终实现近海岸区域智能化和长期性环境监测，将原有的系统建设成本高、抗干扰能力差和设备布置困难大等不足得以改善。三是利用传感器和物联网技术实现海岛生态环境监测与物联网相结合的海岛生态物联网新技术。其主要是通过部署大量海岛岛礁生态多传感器监测节点（涉及化学需氧量、pH、温度、叶绿素、蓝藻、重金属污染度、风速气压等），结合海底、海面和岸基有线通信实现数据传输、存储和处理。最终形成科研服务、政府预警服务、消费者公共服务和“岛礁卫士”公共服务互动等平台，真正实现海岛生态物联网新技术。在该应用实例中，传感器数据采集控制技术尤为重要，是决定后续海岛生态物联网新技术应用服务平台能够正常开发与使用的重要基础。通过传感器技术在该案例中的充分利用，能够一定程度上对海洋环境保护的决策起到参考作用。2.2 在多传感器智能调度和多数据融合中的应用
为了在一定程度上保证海洋环境监测各类数据、指标和参数的准确性和实时性，在利用传感器技术来对海洋环境进行感知时，会使用多个或大量的传感器从而形成多传感器的群体感知框架，因此在这种情况下多传感器如何进行智能调度和多传感器数据融合就逐渐成为近些年该研究领域的热点之一。其主要的应用有：一是综合考虑环境影响等因素，基于一种特定的算法进行多传感器资源调度管理。这种应用大多数会考虑环境条件、任务要求和传感器特性等，并且结合例如蚁群算法、蜂群算法、布谷鸟搜索算法、修正效能函数等特定的算法来对传感器进行管理并合理调度资源，经过算法改进的多传感器在资源调度方面更为合理，对浪费资源的情况在一定程度上进行优化，最终实现多传感器海洋环境监测系统平台等数据真实、可靠、准确。二是在传感器监测参数的数据处理方面采用多传感器数据融合改进算法提高数据监测精度。该内容的研究方法主要是考虑传感器技术在采集数据方面会受到环境、电磁波和各类信号等的干扰，因此在传感器数据采集端融入数据融合算法，使得处理采集数据的算法优化，使获取的海洋环境监测数据相对而言更为准确。例如使用最小二乘法来实现多传感器的数据融合，在土壤湿度、土壤温度和光照强度传感器采集端进行必要的特征提取，融合最小二乘法，最终实现提高决策中心的应用服务功能，这将对海洋环境保护智能化与节约人力成本方面具有积极的指导意义。3.1 海洋环境监测产业自身存在的问题
据相关文献记载，目前我国海洋环境监测产业都采用传统的人工方式进行。一些传统的人工海洋环境监测的技术人员，技术水平有限，接收新型信息技术和知识的能力有限，继续学习的意愿比较低，限制了海洋环境监测产业的发展。第一，部分海洋环境监测企业未根据市场的需求进行合理的产业升级与结构性性化。大多数进行海洋环境监测的技术人员缺乏专业的知识体系，仍然凭借自身的海洋环境监测经验来开展工作，缺乏一定的科学管理的观念。第二，大部分的海洋环境监测企业现阶段所采用的环境监测设施比较陈旧，具有一定机械性，并且接受新型信息技术设施的意愿比较低，能力比较薄弱。这也是导致传感器技术乃至物联网技术难以在海洋环境监测产业领域中发展的关键因素之一。3.2 传感器技术与海洋环境监测产业融合度不够
我国将传感器技术应用于海洋环境监测领域的时间不长、融合度不够、示范性应用有所欠缺。目前市场上针对传感器技术应用于海洋环境监测方面的典型案例不多，并且大多数海洋环境监测中所采用的传感器技术都是与物联网技术进行相互融合，其更多的是起到海洋环境各项指标的数据采集工作，对于如何将多传感器合理地进行资源调度及多传感器数据融合处理的应用比较少。传感器技术结合物联网技术应用于海洋环境监测产业的案例大部分都还在试验阶段，而一种新型信息技术应用于一个产业当中需要大量的实践探索，在实践中才能更好地发现与解决问题。虽然国家致力于倡导“智慧海洋”的建设工作，但是其推进的困难程度比较大，也缺少现有新型技术应用于海洋环境监测产业中的示范性案例，技术应用规范体系也还未建立，这对技术推广造成了比较大的影响。4.1加强传感器技术等信息技术在海洋环境监测中的推广
一是不断推进海洋环境监测产业现有技术人员专业技能再培训。通过稳步提升现有海洋环境监测产业技术人员的专业技能，改变传统的海洋环境监测的模式。开展海洋环境监测的地方政府或相关部门可以联合当地辖区范围内的高校、海洋环境研究所、海洋环境监测企业等开展专业技术人员的专业技术再培训，为他们提供专业技能方面的指导。可以建立海洋环境监测新型信息技术应用交流平台，高校、科研机构、政府等可以提出在该领域产业中最新的应用技术，以此促进专业技术人员对新型信息技术的推广与应用。二是鼓励现有开展海洋环境监测的企业、科研机构等广泛使用像传感器技术等这类新型信息技术。很多企业对于使用新型信息技术后海洋环境监测方面的效率产生了一定的担忧，不敢轻易将新型信息技术应用于海洋环境监测产业中。因此，政府等相关部门应该给予该产业的各类企业更多的政策引导、资金扶持等正面措施，鼓励其积极探索海洋环境监测新途径。另外，聘请知名专家对现有海洋环境监测产业进行必要性的指导也是有效促进该产业转型的途径之一。4.2 创新传感器新型信息技术与海洋环境监测深入融合
一是建立统一标准，做好顶层设计。政府及相关部门应该主导规划和编制海洋环境监测新型传感器技术发展规划具体方案及措施，并且结合海洋传感器部署、多传感器智能调度、多传感器数据融合等构建海洋环境监测的“智慧海洋”框架体系。协调统一传感器技术、物联网技术、海洋环境监测信息化装备等参数标准和协议的制定，将其与海洋环境监测产业高效深度有机融合。二是不断加强科技研发与创新工作。根据我国“智慧海洋”的建设需求与目标，在海洋环境监测整体框架体系下，不断推进智能化海洋传感器类型的研发与实验项目的工作，以推动像传感器技术等新型信息技术在海洋环境监测产业中大规模应用为主要目标，结合海洋环境监测的特点，进行海洋环境监测智能化系统研发，特别是要集中在海洋环境监测实时性、海洋环境监测设备精准控制、海洋环境监测预警与大数据分析等方面不断发力，从而促进“智慧海洋”工作的积极推进与落实。通过对传感器技术和海洋环境监测发展趋势、传感器技术在海洋环境监测中的应用及存在的问题，让我们足以看到传感器技术等新型信息技术应用于海洋环境监测产业巨大的市场潜力，认识到海洋环境监测智能化、信息化等是未来海洋环境保护的发展趋势。也让我们知晓若将传感器技术等新型信息技术全面应用于海洋环境监测的产业中，将会彻底改变我国海洋环境保护传统模式，在一定程度上改善我国海洋环境监测的手段和方法，也会使得海洋环境监测绿色节能高效发展成为可能，传感器技术的应用也将会为海洋环境保护贡献力量。来源：本文整理自《黑龙江环境通报》期刊2023年8月 第36卷 第5期，由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
参考文献：
［1］陈中华 . 基于物联网的海洋环境监测系统的研究与应用 [D]. 上海 : 上海海洋大学 ,2012.
［2］刘骏 . 传感器技术在海洋水质监测中的应用研究 [D].大连 : 大连海洋大学 ,2016.
